-132628-436

5329387-442397

نشریه حفاظت منابع آب و خاك، سال چهارم، شماره 2، زمستان 1393

برآورد رطوبت خاك به کمک شاخصهاي پوشش گیاهی و دماي سطح خاك و شاخص نرمالشده رطوبت با استفاده از تصاویر MODIS

فاطمه خانمحمدي 1، مهدي همایی2*، علی اکبر نوروزي 3

1) دانشآموخته کارشناسی ارشد خاکشناسی؛ دانشکده کشاورزي؛ دانشگاه تربیت مدرس؛ تهران؛ ایران
2*) استاد گروه خاکشناسی؛ دانشکده کشاورزي؛ دانشگاه تربیت مدرس؛ تهران؛ 3360-14115؛ ایران
[email protected] :نویسنده مسئول مکاتبات *
3) استادیار پژوهش پژوهشکده حفاظت خاك و آبخیزداري؛ تهران؛ 3360- 14115؛ ایران
19857316555

تاریخ دریافت: 18/07/1392 تاریخ پذیرش: 13/11/1393

چکیده
برآورد رطوبت خاك سطحی براي مدیریت بهینه منابع آب و خاك ضروري است. رطوبت خاك سطحی، متغیري مهم در چرخۀ آبی طبیعت است که نقش مهمی در تعادل جهانی آب و انرژي به واسطه تاثیر بر فرآیندههاي هیدرولوژیک، اکولوژیک و هواشناسی دارد .رطوبت خاك به دلیل تغییرپذیري ویژگیهاي خاك، توپوگرافی ،پوشش گیاهی و پویایی نیوار در زمان و مکان تغییر میکند. اندازهگیري رطوبت خاك، به طور مستقیم با استفاده از روشهاي درجا مانند نوترونمتر و TDR یا به طور غیر مستقیم به وسیله توابع انتقالی و یا سنجش از دور انجام میشود. از آنجا که اندازهگیريهاي درجا معمولا در پهنههاي وسیع هم هزینه بر و هم زمانبر میباشند ،براي برآورد رطوبت خاك در مقیاسهاي مکانی بسیار بزرگ، میتوان روشهایی همچون سنجش از دور را به کار گرفت. هدف از انجام این پژوهش، برآورد رطوبت خاك سطحی با استفاده از شاخصهاي NDMI ،NDVI و LST بود. بدین منظور با استفاده از تصاویر MODIS 1B شاخصهاي مورد نظر استخراج و با دادههاي زمینی رطوبت خاك واسنجی و اعتبارسنجی شدند. در این پژوهش، منطقه مورد مطالعه تشریح گردید و سپس با استفاده از شاخصهاي استخراج شده، مدل برآورد رطوبت خاك به دست آمد. نتایج نشان داد بین مقادیر رطوبت خاك سطحی با شاخصهاي NDMI ،NDVI و LST همبستگی مناسبی( 66%) وجود دارد. نتایج صحت سنجی مدل برآورد رطوبت خاك نیز نشان داد که این مدل با میانگین خطاي کمتر از 018/0 ، قادر به پیشبینی رطوبت خاك سطحی است، این مقدار خطاي اندك ،نشان دهنده دقت زیاد مدل پیشنهادي براي برآورد رطوبت خاك سطحی میباشد.
کلید واژه ها: رطوبت خاك سطحی؛ LST؛ NDMI؛ NDVI مقدمه
رطوبت خاك، به ویژه رطوبت خاك سطحی نقش بسیار مهمی در مدیریت منابع آب و خاك دارد. رطوبت خاك، همچنین نقش مهمی در چرخه آبی طبیعت، به ویژه در توزیع باران بین رواناب سطحی و نفوذ، که فرآیند مهمی بعد از فرآیندهاي هیدرولوژیک و ژئومرفولوژیک است، ایفا میکند. بازیابی دادههاي رطوبت خاك اهمیت شایانی در کاربردهاي گوناگون همچون هیدرولوژي ،کشاورزي( 2007 ,.Baghdadi et al) اقلیمشناسی و هواشناسی( 2010 ,.Minet et al)، علوم خاك، اکولوژي و زراعت (2005 ,.Lunt et al)، جنگلداري و مهندسی منابع آب( 2009Mekonnen, )، تبادل جریان انرژي و آب بین سطح زمین و اتمسفر( 2009 ,.Wang et al) دارد. برآورد دقیق رطوبت خاك فاکتوري کلیدي در این مطالعات است. تغییرات در عواملی همچون بافت خاك ،توپوگرافی، پوششگیاهی و روشهاي آبیاري، باعث تغییرپذیري زیاد زمانی- مکانی رطوبت خاك میشود (2005 ,.Western and Grayson, 1998; Lunt et al). رطوبت خاك به روشهاي مختلفی اندازهگیري میشود .
در یک دستهبندي کلی، این روشها را میتوان به دو گروه روشهاي معمول همانند روش وزنی و روشهاي الکترومغناطیسی همچون TDR و GPR و سنجش از دور تقسیمبندي کرد( 2005 ,.Lunt et al). روشهاي معمول اندازهگیري رطوبت خاك مانند روش وزنی و روش نوترونمتر براي فهم رفتار رطوبت خاك در مقیاس زمانی و مکانی مناسب نیستند (2009Mekonnen, ). روش وزنی در عین سادگی داراي معایبی همچون زمانبر بودن، هزینه زیاد، قابلیت جمعآوري محدود دادهها و کاربرد در مقیاسهاي کوچک میباشد. محدودیتهاي حاصل از تغییر پذیري مکانی و زمانی، هزینه زیاد و زمانبر بودن، جستجو براي یافتن روشهاي جدید براي برآورد سریع رطوبت خاك را فراهم مینمایند. در سال-هاي اخیر تلاشهاي زیادي براي ارائه راه حلی در این زمینه صورت گرفته است که مشخصاً میتوان به ارائه مدلهاي شبیهساز و ایجاد توابع انتقالی خاك( PTFs) اشاره نمود (خداورديلو و همایی ،1381؛ قربانی دشتکی و همایی ،1383؛ فرخیان فیروزي و همایی ،1384؛ نوابیان و همکاران ،1382؛ بابائیان و همکاران ،1392). در مدل-هاي شبیهساز با واسنجی مدل براي یک منطقه مورد مطالعه، تلاش میشود که مشکل تغییرپذیري مکانی- زمانی خاك تا حدودي برطرف شود. صرف نظر از اینکه چنین واسنجیهایی تا چه اندازه میتوانند غیر همگنی ویژگیهاي فیزیکی خاك را توضیح دهند، این مدلها نیازمند ارقام واقعی زیادي هستند که باید به صورت داده-هاي ورودي، به مدل داده شوند تا امکان واسنجی فراهم گردد. بدیهی است در پهنههاي بزرگ، دست یابی به چنین دادههایی بسیار دشوار و هزینهبر است. به همین منظور طی بیست سال گذشته تلاشهاي زیادي صورت گرفته تا بتوان پارامترهاي ورودي مدلها را نیز با استفاده از روابط رگرسیونی و یا شبکه عصبی مصنوعی برآورد و آنها را به عنوان وروديهاي مدلهاي شبیهساز به کار گرفت (Khodaverdiloo et al., 2011; Gorbani-Dasgtaki et 2008al., 2010; Homaee and Farrokhian, ، مطلبی و همکاران ،1391). در این روش که به آن روش توابع انتقالی گویند، عموماً با استفاده از ویژگیهاي زود یافتی همچون فروانی نسبی اندازه ذرات خاك و یا جرم ویژه ظاهري خاك ابتدا منحنی نگهداشت آب در خاك برآورد و سپس با استفاده از پارامترهاي آن مقدار رطوبت در نیمرخ خاك بهوسیله مدلهاي شبیهساز برآورد میگردد .
69530208100483

سال

چهارم

/
شماره

2
/

سال

چهارم

/

شماره

2

/

هر چند اشتقاق و بهکارگیري توابع انتقالی براي برآورد-هاي سریع در پهنههاي نسبتا بزرگ سودمنديهاي زیادي دارد، لیکن این روش نیز در پهنههاي منطقهاي و ملی همچنان داراي محدودیتهاي ورودي میباشد. به همین دلیل تلاش براي دستیابی به روشهایی دیگر براي چنین مقیاسهاي بزرگی اجتناب ناپذیر است. پیشرفتهاي تکنولوژیک اخیر، امکان استفاده از تکنیکهاي سنجش از دور در اندازهگیري رطوبت خاك را فراهم ساخته است (بابائیان ،1392؛2012 ,.Norozi et al). تکنیکهاي سنجش از دور براي برآورد رطوبت خاك شامل روش هاي نوري، مادون قرمز حرارتی و مایکروویو فعال و غیرفعال هستند که هر کدام نقاط ضعف و قوت خود را دارند. در روشهاي نوري ارتباط بازتاب از سطح خاك با مقدار رطوبت خاك بررسی میشود که در این میان تاثیر سایر عوامل بر بازتاب خاك باعث ایجاد خطا در مقادیر رطوبت برآورد شده میگردد( Wang and Qu, 2009). روشهاي سنجش از دور مبتنی بر امواج مایکروویو تکنیکهایی موثر براي برآورد رطوبت خاك هستند، لیکن با توجه به محدودیت دسترسی به اطلاعات رادار، در این پژوهش تمرکز بر محدوده مادون قرمز حرارتی میباشد. در این روش، میزان گسیل گرما از سطح زمین با طول موج هاي 5/3 تا 14 میکرومتر اندازه گیري میشود( 985Curran, ). تخمین رطوبت خاك با این روش، نیاز به برآورد دماي سطحی خاك و شاخص گیاهی دارد( 2009Wang and Qu, ). پوشش گیاهی و دماي سطحی زمین( LST1)، وابستگی پیچیده اي بر روي رطوبت خاك دارند .Carlson و همکاران( 1994) و Gillies و همکاران( 1997) نشان دادند از ترکیب این دو شاخص میتوان براي برآورد رطوبت خاك با دقت قابل قبول استفاده کرد. تغییرات رطوبت خاك، تاثیراتی فراوان بر ویژگی هاي حرارتی خاك دارد. به عبارت دیگر ،تغییرات روزانه دما، همبستگی بالایی با مقدار رطوبت
خاك دارد (1985Wang .(Engman, و همکاران( 2007) با تلفیق دادههاي رطوبت خاك زمینی با شاخصهاي NDVI و LST حاصل از محصولات شاخص گیاهی و دماي سطحی MODIS، روابط رگرسیونی را براي برآورد رطوبت خاك به دست آوردند که نتایج حاصله همبستگی بالایی را با مشاهدات زمینی نشان داده است. یکی دیگر از شاخصهاي حرارتی، شاخص NDMI است که با تلفیق با شاخص NDVI، براي بررسی وضعیت خشکسالی و
همچنین برآورد مقدار رطوبت خاك استفاده شده است (2009Yang, 2008; Lin, ).
بنابراین در پژوهشهاي گذشته، رطوبت خاك براساس شاخصهاي NDVI و LST و یا شاخصهاي NDMI و NDVI برآورد شده است. از آنجایی که شاخصهاي NDVI و LST وابستگی نزدیکی با رطوبت خاك دارند و همچنین با توجه به کارایی شاخص NDMI در مطالعات خشکسالی و برآورد رطوبت خاك، ترکیب شاخصهاي LST ،NDVI و NDMI میتواند موجب افزایش دقت مدل برآورد رطوبت خاك گردد که تاکنون پژوهشی در این رابطه، انجام نشده است. لذا ،پژوهش حاضر با هدف ارائه مدل برآورد رطوبت خاك با استفاده از شاخصهاي LST ،NDVI و NDMI انجام شد و سپس مدل به دست آمده، اعتبارسنجی گردید.

مواد و روش ها
در این بخش، نخست منطقه مورد نظر مطالعه و سپس روششناسی هر یک از شاخصها تشریح شده است. در نهایت، با استفاده از شاخصهاي محاسبه شده، مدل برآورد رطوبت خاك به دست آمد و اعتبارسنجی شد.
منطقه مورد مطالعه
منطقه مورد مطالعه براي این پژوهش ،شهرستان ورامین انتخاب شد که در فاصله 30 کیلومتري جنوب شرقی تهران و در دامنههاي جنوبی البرز مرکزي قرار دارد. محدوده مورد مطالعه در شکل 1 نشان داده شده است. مساحت این دشت تقریبا 1200 کیلومتر مربع است و به علت بیرونزدگیها و فرورفتگیهاي موجود، داراي ارتفاع بسیار متغیر با متوسط 950 متر از سطح دریا، می باشد. اقلیم منطقه بر اساس طبقه بندي دومارتن اصلاح شده شامل نواحی نیمه خشک معتدل، خشک بیابانی معتدل و فراخشک سرد میباشد. بیش تر اراضی منطقه داراي کاربري کشاورزي و شیب هموار هستند.
مقادیر رطوبت خاك با استفاده از دستگاه TDR براي عمق 15-0 سانتیمتر، همزمان با فصل رشد ذرت اندازه گیري گردید. تصاویر سنجنده MODIS واقع بر ماهواره Terra، متناظر با اندازهگیريهاي زمینی رطوبت خاك، از سایت ناسا به نشانی:
4272528060859

سال

چهارم

/

شماره

2
/

زمستان

93

سال

چهارم

/



قیمت: تومان

دسته بندی : منابع آب خاک

دیدگاهتان را بنویسید